3D打印仿鳳凰螺材料內(nèi)部損傷修復(fù)的特點(diǎn)，對(duì)由纖維增強(qiáng)的材料的修復(fù)具有積極意義。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在智能裝備制造領(lǐng)域?qū)p量化結(jié)構(gòu)材料提出了更高的需求。受天然鳳凰螺內(nèi)部精細(xì)的微觀交叉疊層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員通過模仿其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)制備出力學(xué)性能優(yōu)異的人工交叉疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。同時(shí)，因其具備中強(qiáng)高韌的特點(diǎn)，在航空航天以及裝甲防護(hù)類領(lǐng)域有著更加廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

短碳纖維增強(qiáng)的尼龍基復(fù)合材料作為原材料，通過3D打印的方法制備了仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)材料。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論分析對(duì)其強(qiáng)韌化機(jī)理進(jìn)行研究，并提出相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。后通過對(duì)短/長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的修復(fù)功能進(jìn)行研究，得到微波修復(fù)與熱修復(fù)的作用機(jī)制。

一、主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果

（一）交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品制備與測(cè)試

受鳳凰螺殼體結(jié)構(gòu)中交叉疊層結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，以短碳纖維增強(qiáng)的尼龍基復(fù)合材料作為原材料，通過3D打印的方法首先制備了層間夾角分別為0°、20°、40°、60°和90°的交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品，并對(duì)制備得到的樣品進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，交叉疊層結(jié)構(gòu)的承載能力與其層間夾角密切相關(guān)。隨著層間夾角的增加，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度逐漸降低，而能量吸收先降低后升高，然后再繼續(xù)降低。

（二）理論分析與有限元數(shù)值模擬

通過理論分析表明，交叉疊層結(jié)構(gòu)的破壞主要由其層內(nèi)的三種應(yīng)力分量引起。通過對(duì)交叉疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，結(jié)果表明，交叉疊層結(jié)構(gòu)在拉伸載荷作用下，層間應(yīng)力與層內(nèi)的三種應(yīng)力分量的數(shù)值相比較小。而掃描電鏡對(duì)層間的斷面的表征結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，靠高分子粘結(jié)形成的層間界面并沒有在載荷作用下破壞。

對(duì)交叉疊層結(jié)構(gòu)的層內(nèi)三種應(yīng)力分量分析可得，樣品強(qiáng)度趨勢(shì)在一定角度范圍內(nèi)與測(cè)試結(jié)果并不相同，因此后續(xù)補(bǔ)充了層間夾角為10°、30°、45°和75°的交叉疊層樣品。

（三）補(bǔ)充樣品測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)果表明，在一定的小角度范圍內(nèi)，交叉疊層結(jié)構(gòu)的樣品強(qiáng)度隨層間夾角的增大而降低，能量吸收也逐漸降低。而隨著層間夾角的進(jìn)一步增大，樣品的強(qiáng)度又逐漸上升，能量吸收也突然增大，層間夾角繼續(xù)增大，強(qiáng)度和能量吸收又逐漸降低，這與交叉疊層結(jié)構(gòu)的層間夾角密切相關(guān)。

層間夾角的區(qū)別會(huì)導(dǎo)致同一層內(nèi)的軟硬相物質(zhì)以及界面處應(yīng)力分布不同，從而影響樣品的承載能力和吸能特性。而強(qiáng)度和能量吸收能夠在一定角度范圍內(nèi)提升，是由于仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)在載荷作用下出現(xiàn)內(nèi)部自適應(yīng)調(diào)整，使得層內(nèi)的應(yīng)力分布進(jìn)行了重新調(diào)整，從而可以顯著提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性，最終進(jìn)一步提高材料的性能。此外，多種失效形式的共同存在對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性也有很大影響。

通過對(duì)仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的層間夾角進(jìn)行優(yōu)化，可以得到與上述兩種情況的材料體系相匹配的結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮材料的性能。

（四）熱修復(fù)與微波修復(fù)機(jī)理研究

工作對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有積極意義，有望在航空航天、新能源等領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)制備了具有由短/長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品，并分別對(duì)其熱修復(fù)和微波修復(fù)機(jī)理進(jìn)行相關(guān)研究。

熱修復(fù)和微波修復(fù)對(duì)彎曲載荷作用下產(chǎn)生的損傷都有較好的修復(fù)效果。其中短纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)中，熱修復(fù)使其性能獲得了提高，并且在多次的彎曲損傷后仍有較好的修復(fù)效果。但是當(dāng)修復(fù)次數(shù)增加時(shí)，材料的氧化以及老化會(huì)使其韌性降低，塑性增強(qiáng)。修復(fù)過程中的熱場(chǎng)分布顯示，熱修復(fù)的修復(fù)作用是針對(duì)整體結(jié)構(gòu)，而微波修復(fù)過程更具有針對(duì)性，在損傷部位產(chǎn)生的熱量較多。

長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱修復(fù)和微波修復(fù)的效果相差不大，都有一定程度上的效果。修復(fù)過程中的熱場(chǎng)分布顯示，微波修復(fù)的作用區(qū)域更加集中，主要集中在彎曲過程中產(chǎn)生損傷的部位。因此，對(duì)于纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料而言，微波修復(fù)更具有針對(duì)性，同時(shí)修復(fù)時(shí)間短，因此有著更廣闊的應(yīng)用前景。

二、研究方法總結(jié)

3D打印仿鳳凰螺材料內(nèi)部損傷自修復(fù)的特點(diǎn)，對(duì)由纖維增強(qiáng)的材料的修復(fù)具有積極意義。從女王鳳凰螺的殼體的交叉疊層結(jié)構(gòu)中受到啟發(fā)，利用單絲打印的短碳纖維增強(qiáng)的尼龍基復(fù)合材料制備具有不同層間夾角的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品。采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的測(cè)試方法以及理論分析、有限元數(shù)值模擬的方法分析了層間夾角對(duì)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)增韌機(jī)制的影響，并提出了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。后續(xù)對(duì)短碳纖維和長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品的自修復(fù)功能進(jìn)行研究。

三、未來研究方向

接下來的研究工作還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入的研究分析：

1. 主要研究了鳳凰螺結(jié)構(gòu)中的一級(jí)結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷作用下的強(qiáng)韌機(jī)理和損傷破壞機(jī)制，今后可開展相應(yīng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。
2. 在對(duì)仿生鳳凰螺交叉疊層結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析中，分析了線彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，后續(xù)可以通過加入cohesive單元來模擬加載過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋產(chǎn)生以及擴(kuò)展的過程，來更直觀展現(xiàn)微觀增韌的力學(xué)機(jī)制。
3. 3D打印鳳凰螺材料內(nèi)部損傷的修復(fù)機(jī)制，今后可以通過模擬方法研究修復(fù)過程中的碳纖維與基體間的變化，對(duì)斷面形貌表征也可以獲得更為直觀的修復(fù)特征。

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